衛(wèi)星移動通信信道特性分析

1、收稿日期 :2003-09-10基金項目 :國家自然科學基金資助項目 /個人移動衛(wèi)星通信電波傳播特性研究 0(60172006作者簡介 :1. 符世鋼 (1979- , 男 , 云南安寧人 , 云南大學信息學院通信與信息系統(tǒng)專業(yè)在讀碩士研究生 , 主要從事移動通信關鍵技術研究 ;2. 任友俊 (1973- , 男 , 云南宣威人 , 曲靖師范學院計科系講師 、 工學碩士 , 主要從事網絡通信及其編程研究 ; 3. 申東婭 (1965- , 女 , 云南昆明人 , 云南大學信息學院副教授 , 主要從事移動通 信研究 .衛(wèi)星 移 動 通 信 信 道 特性 分 析符 世 鋼 1, 任 友 俊 2,

2、申 東 婭 3(1. 3. 云南 大學 信息學院 , 云南 昆明 650091; 2. 曲靖師范學院 計科系 , 云南 曲靖 655000摘 要 :衛(wèi)星移動通信作為地面移動通信的補充 , 是實 現(xiàn)全球個人 通信的必 不可少的手 段之一 , 同時 也 是目前發(fā)展最迅速的通信技術之一 . 衛(wèi)星移動通信具有 衛(wèi)星固定業(yè)務和移動通信雙重特點 , 其電波傳輸距 離 遠 , 經歷的環(huán)境特殊 , 導致其信道特性遠比地面系統(tǒng)復雜 . 因此 , 研究其信道特性是設計出高效實用的通信 系 統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié) . 本文對其信道特性進行了具體 深入的分析 , 并對某些衰減因素的解決措施作了簡要 探討 .關鍵詞 :衛(wèi)星移動通

3、信 ; 信道特性 ; 傳輸損耗 ; 多普勒頻移中圖分類號 :TN927+123 文獻標識碼 :A 文 章編號 :1009-8879(2003 06-0071-04衛(wèi)星移動通信是指利用衛(wèi)星實現(xiàn)移動用戶 間或移動用戶與固定用戶間的相互通信 . 近年來 地面蜂窩移動通信系統(tǒng)得到了飛速發(fā)展 , 但是它 的覆蓋范圍有限 , 僅能為人口集中的城市及其附 近地區(qū)提供服務 . 為了獲得全球范圍的無縫覆蓋 , 實現(xiàn)名符其實的全球個人通信 , 不得不引入衛(wèi)星 移動通信來作為地面移動通信的補充 . 衛(wèi)星移動 通信具有覆蓋面積大、 業(yè)務范圍廣、 適用于各種地 理條件等優(yōu)點 , 在過去二三十年中發(fā)展十分迅速 , 成為極

4、具競爭力的通信手段之一 .與地面移動通信系統(tǒng)不同 , 衛(wèi)星移動通信系 統(tǒng)的電波傳播要經過漫長的距離 , 其間要受到多 種因素的干擾 . 這大大增加了接收信號的波動性 , 成為保證通信質量的最大障礙 . 為此 , 研究信道特 性成為設計通信系統(tǒng)的首要任務 . 本文將對其進 行具體分析 .1 傳輸損耗衛(wèi)星移動通信中電波傳播要經過對流層 (含 云層和雨層 、 平流層直至外層空間 , 傳輸損耗大 致為自由空間傳輸損耗與大氣損耗之和 . 111 自由空間傳輸損耗在整個衛(wèi)星無線路徑中自由空間 (近于真空狀態(tài) 占了絕大部分 , 因此 , 首先考慮自由空間傳 播損耗 . 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)無線鏈路與大尺度無 線

5、電波傳播模型類似 , 在自由空間模型中 , 接收功 率的衰減為 T-R 距離的冪函數(shù) 1. 當發(fā)射和接收 天線均具有單位增益時 , 自由空間路徑損耗為 :L f =10lg(K 2=20lg(3108d f (db (1 當 d 取 km 、 f 取 GHz 為單位時 , 可簡化為下式 :L f =92145+20lgd +10lg f (db(2112 大氣層損耗大氣層在衛(wèi)星無線路徑中所占比例不大 , 但 卻是最不穩(wěn)定的區(qū)域 , 其損耗是衛(wèi)星移動通信最 具特色的信道特 征之一 . 伴隨著天氣的變化 , 降 雨、 降雪、 云、 霧等都不可避免地對穿透其中的電 波產生損耗 , 個別極惡劣的天氣甚

6、至會造成通信 信號的中斷 . 由于各種客觀條件的限制 , 目前對其 損耗只能通過實際觀測積累數(shù)據(jù)并由此總結出一 些經驗公式 .在各種天氣引起的損耗因素中 , 降雨損耗所 占的比例最大且具有代表性 . 在雨中傳播的電波 會受到雨滴的吸收和散射影響而產生衰落 . 此時 引入降雨衰減系數(shù)的概念 , 即由降雨雨滴引起的 每單位路徑上的衰減 R , R 如下式所示 :第 22卷 第 6期2003年 11月曲 靖 師 范 學 院 學 報JOURNAL OF QUJING TEACHERS COLLE GEVol. 22 No. 6Nov. 2003R =41343103Q +0n(r 8(r , K d

7、r (db/km (3 上式中 n(r d r 是單位體積中半徑在 r 和 (r + d r 之間的雨滴數(shù)目 , 它取決 于降雨強度 ; 8(r, K 是半徑為 r 的雨滴對電波為 K 的衰減截面 , 它 取決于工作頻率 . 值得注意的是 , 當電波波長遠大 于雨滴的直徑時 , 降雨損耗中雨滴的吸收起主要 作用 ; 而當雨滴的直徑增加或波長縮短時 , 散射作 用就會增大 2.理論上用降雨衰減系數(shù)與電波穿透的雨區(qū)路 徑相乘即可得總的降雨損耗 . 但實際上降雨衰減 系數(shù)在電波傳播路徑上的不同點各不相同 , 給計 算帶來了極大的困難 , 為此需要對二者進行轉換 . 此時引入了降雨強度 P 的概念 ,

8、 即單位時間的降 雨量 , P 如下式所示 :P =Q +0n(r (3r 3 Q v(r d r (4 式中 , Q 是水的密度 , v(r 是地面處半徑為 r 的雨滴的下落速度 .在計算衛(wèi)星通信傳播路徑上的降雨損耗時 , 必須知道降雨區(qū)域的等效路徑長度 D (B , 其基 本定義如下 :D(B =當仰角為 B 時傳播路徑上產生的總降雨 衰減 /對應于地球站所在地降雨強度的單位距離 降雨衰減系數(shù) (5 在 150GHz 的頻段內 , 可以認為降雨衰減大致 與降雨強度成正比 , 因此借助于降雨強度的概念 , (5 式可近似表示為 :D(B = +R (r d rR (0(km (6這就是說 ,

9、 所謂降雨地區(qū)的等效路徑長度 , 就是把 電波傳播路徑上不同點的不同降雨強度折算成地 球站所在地的降雨強度時得到的等效路徑長度 . 從 (5 式可以看 出 , 可以用地球站所在地的降雨 衰減系數(shù)與等效路徑長度相乘 , 來得到仰角為 B 的傳播路徑上產生的總的降雨損耗 , 這將極大地 方便我們進行計算和預測 .但是 , 在具體計 算 D(B 時 , 既不可 能測定 Q +0R (r d r , 又不可能計算出時刻都在變化著的 等效路徑長度的瞬時值 , 所以 , 一般都是使用等效 路徑長度的統(tǒng)計值 . 它定義為 :某一仰角的傳播路 , 概率的降雨衰減量 (db , 與同一時期內測得的、 同 一時間

10、概率的降雨衰減系數(shù)之比 (db/km .2折射 、 閃爍 、 法拉第旋轉除了大氣層中的傳輸損耗外 , 大氣層中的不 規(guī)則特性也會對無線電波產生衰減 . 此外 , 當電波 通過電離層這一極其特殊的環(huán)境時 , 也會發(fā)生特 殊的變化 .211大氣折射無線電波穿透大氣層時要發(fā)生折射 , 大氣折 射率隨著高度增加、 大氣密度減小而減小 . 于是 , 從地球站看衛(wèi)星 , 電波射線傳播路徑產生向上凸 出的彎曲 , 致使該路徑的仰角比真實仰角偏高 , 且 還因傳播途中大氣折射率的變化而隨時變化 . 大 氣折射率的這一變化對穿透其中的電波起到一個 凹 透鏡的作用 , 從而使電波的聚束失散而引起散 焦損耗 , 這

11、種損耗與頻率無關 . 此外 , 對流層的擾 動引起大氣折射率發(fā)生起伏 , 使得電波向各個方 向上散射 , 導致了波前到達大天線口面時其幅度 和相位分布不規(guī)則 . 這種損耗稱為漫射損耗或散 射損耗 . 散焦衰減和散射衰減通常都很小 , 但它們 與大氣層的天氣狀況無關而經常存在 , 因此在設 計衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) , 特別是低仰角系統(tǒng)時必須 加以考慮 .212閃爍閃爍按其 成因可分為大 氣閃爍和電 離層閃 爍 .21211大氣閃爍由于大氣折射率的不規(guī)則變化引起的信號強 度的起伏現(xiàn)象 , 稱之為大氣閃爍 . 這類閃爍的周期 約為幾十秒 . 210GHz 的大氣閃爍是由于大氣的 不規(guī)則引起的電波的多徑散

12、射和收斂 . 測量表明 , 標準大氣中的信號強度為高斯分布 . 如直徑為 30米的天線在仰角為 5b 的情況下 , 信號強度的起伏 幅度為 016分貝 .21212電離層閃爍電離層中自由電子并非均勻分布 , 而是呈層 式分布 , 此外 , 自由電子在電離層中不斷地發(fā)生隨 時游動 . 電離層結構的這種不均勻性和時變性造 成穿透其中的無線電波在振幅、 相位、 到達角、 極 化狀態(tài)等方面發(fā)生短周期的不規(guī)則變化 , 這種現(xiàn) 象稱為 /電離層閃爍 0. 它與衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的#72#曲 靖 師 范 學 院 學 報 第 22卷時間等有關 , 尤其與地磁緯度和當?shù)貢r間有關 3. 在地磁赤道附近及高緯度地區(qū)

13、(尤其地磁 65b 以 上 電離層閃爍極其明顯和頻繁 . 時間上 , 在太陽 活動較強的年份閃爍頻度會明顯增大 , 甚至在白 天也能觀測到閃爍 .電離層閃爍涉及到的頻域很寬 , 這使得通常 采用的頻率分集、 極化分集、 擴展頻譜等抗衰落措 施往往行不通 . 例如在 UHF 頻段 , 3db 相關帶寬超 過 100MHz, 如要使用頻率分集 , 則需要頻率間隔 大于 100MHz, 這在實現(xiàn)上存在很大困難 . 此外 , 電 離層閃爍涉及的地域也很廣闊 , 且電離層中不規(guī) 則區(qū)域會發(fā)生漂移從而引起所涉及的地域發(fā)生變 化 , 這些特點使得采用空間分集的抗衰落方法也 變得不現(xiàn)實 . 目前解決電離層閃爍

14、的有效辦法是 時間分集和編碼分集 , 也可采用增加儲備余量的 方法來減小其造成的影響 .213法拉第旋轉由于地球磁場的影響 , 電離層中等離子體媒 質呈現(xiàn)出各向異性特性 . 衛(wèi)星移動通信中電波廣 泛采用線極化和圓極化的形式 . 一個線極化波可 以看成是等振幅的左旋和右旋兩個圓極化波的合 成 , 在屬于磁性等離子媒質的電離層中傳播時 , 由 于其各向異性特性 , 這兩者的相速不同 , 致使兩個 圓極化波之間的相位差發(fā)生變化 . 當它們通過電 離層后 , 重新合成的線極化波的極化面相對于入 射波方向產生緩慢的旋轉 , 稱為法拉第旋轉 4. 旋 轉角度 H 的大小與電波頻率、 地球磁場強度、 等離

15、子體的電子密度、 傳播路徑長度等有關 , 其計算可 以使用下式 :H =21365104f 2LNB cos A d L (弧度 (7 式中 f 為頻率 , N 是電子密度 , B 是地球磁場 的磁能量密度 , A 是傳播路徑與地球磁場的夾角 , L 是在電離層中傳播路徑的長度 .從上式可見 , 法拉第旋轉的大小與頻率的平 方成反比 . 因此 , 對于較低的頻率 (1GHz , 為了克 服 法拉第旋轉 , 需要采用圓極化作為發(fā)射電波的 極化方式 , 或者采用 極化跟蹤技術 . 當頻率升高 (尤其是大于 10GHz 時 , 法拉第效應往往可以忽 略 , 此時就可以采用線極化波了 .3陰影效應 ,

16、 多徑衰落 , 多普勒頻移 其本身兼有衛(wèi)星固定業(yè)務和移動通信雙重特色 , 使其信道具有更多的復雜性 , 這成為研究的又一 重點 .311陰影效應與單純的固定業(yè)務衛(wèi)星通信不同 , 衛(wèi)星移動 通信具有很大的機動性和靈活性 , 地面通信地點 無法預先選擇 . 因此當電波傳播路徑遇到建筑物、 樹木、 起伏山丘等障礙的阻擋時 , 會造成接收信號 電平的下降 , 這一現(xiàn)象稱為陰影效應 , 所引起的信 號衰落稱為陰影衰落 , 其大小取決于障礙物狀況 和 信號的頻率 . 目前針對不同的障礙物已做出許 多實際測試 , 比如針對樹木遮擋損耗 , 典型的就有 Goldhirsh 和 Vogel 實測的單棵樹木在 8

17、70MHz(右 旋圓極 化傳輸 的衰 減量和 Michigan 進 行的以 116GHz 電波仰角穿透單棵紅樹冠時的衰減量 . 從 實際測試中已得到大量有用數(shù)據(jù)和經驗公式 . 312多徑衰落無線電波在傳播過程中會遇到建筑物、 樹木、 山丘等各種障礙物 , 產生出反射波、 散射波、 繞射 波 , 這就使得接收到的信號是從多條路徑傳播來 的 信號的合成 . 由于在各條路徑上信號傳輸時間 不同 , 到達接收端時相位也就不同 . 不同相位的信 號疊加時往往是同相增強、 反相減弱 , 有時甚至相 互抵消 . 這樣 , 接收信號的幅度將急劇變化 , 即產 生了衰落 , 被稱為多徑衰落 .與固定衛(wèi)星通信不同

18、 , 衛(wèi)星移動通信中移動 臺的接收天線較小且?guī)缀鯖]有方向性 , 會從各個 方向上接收信號 , 因此多徑衰落廣泛地存在于其 信道中 , 其大小與工作頻率、 天線增益、 天線仰角、 地形等因素有關 . 例如對目前常用的 GEO(靜止地 球軌道 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) , 其最大的多徑衰落 可以超過 20db. 目前克服多徑衰落的措施主要有 交織編碼與卷積編碼相結合、 采用差分調制方式、 極化成形及空間分集等 .313多普勒頻移當無線電波收發(fā)終端之間產生相對運動時 , 接收端收到的頻率相對于發(fā)送端而言就會發(fā)生變 化 , 產生的這個附加頻率偏移量稱為多普勒頻移 . 在衛(wèi)星移動通信中 , 衛(wèi)星和地面移動臺的運

19、動都 會引起多普勒頻移 , 其大小與衛(wèi)星軌道高度、 軌道 類 型、 地 面 站緯 度 等因 素 有關 . MEO(中軌 道 、 LEO(低軌道 衛(wèi)星由于與地球產生相對運動 , 因 此多普勒頻移通常比 GEO(靜止地球軌道 衛(wèi)星 # 73 #第 6期 符世鋼 , 任友俊 , 申東婭 :衛(wèi)星移動通信信道特性分析有最大的正多普勒頻移 ; 當衛(wèi)星通過地面移動臺 的最大仰角時 , 多普勒頻移為零 ; 當衛(wèi)星從地平面 消 失時 , 有最大的負多普勒頻移 . 另外 , 衛(wèi)星的軌 道 越低 , 飛行速度越快 , 多普勒頻移就越大 . 如果 兩個發(fā)射頻率之間的間隔不夠大 , 即小于最大多 普勒頻移時 , 則接收

20、 端就可能產生相互干擾 . 同 時 , 它還會使接收機輸出信號幅度下降 , 也會引起 較大的相位誤差 . 多普勒頻移通常采用閉環(huán)頻率 控制、 預校正、 差分調制等方法來解決 .4 結論在衛(wèi)星移動通信的發(fā)展進程中其信道特性一 直是研究的重點 . 本文從傳輸損耗 , 折射、 閃爍、 法 拉第旋轉 , 陰影效應、 多徑效應、 多普勒頻移 3個 方 面 進行 分 析 , 得出 的 結論 普 遍 適用 于 GEO, MEO, LEO, HEO 等多種衛(wèi)星系統(tǒng) , 在論述現(xiàn)象的 同時給出了一批量化表達式 , 為理論預測打下了 基礎 . 從各種分析中可以看出 :由于衛(wèi)星中繼的特殊位置 , 其雙向鏈路傳輸損耗

21、大 ; 在傳輸環(huán)境中的 多種不穩(wěn)定因素干擾下信道參數(shù)的波動性很大 , 且在個別情況下產生極大的接收信號衰落 . 因此 ,如何 對 其特 性進 行 優(yōu)化 必 將成 為 又一 個 研究 重點 .參考文獻 :1Theodore S. Rappaport :Wireless communications principles and practice . Prentice Hall Inc. 中文本 :無線通信原理與 應用 M.蔡濤 , 李旭 , 杜振 民譯 . 北京 :電子 工業(yè)出 版 社 , 1999:5051.2全慶 一 , 廖建新 , 于 玲 , 等 . 衛(wèi)星移 動通 信 M. 北京 郵 電大

22、學出版社 , 2000:3940.3吳志忠 . 移動 通信無 線電 波傳播 M .北京 :人 民郵 電 出版社 , 2002:85.4張 乃通 , 張中 兆 , 李 英濤 . 衛(wèi) 星 移動 通信 系 統(tǒng) M .北 京 :電子工業(yè)出版社 , 1997:25.5張更新 , 張杭 . 衛(wèi)星移動通信系統(tǒng) M .北京 :人民郵 電 出版社 , 2001:95.Analysis of channel property for mobile satellite communicationFU Sh-i gang 1, REN You -jun 2, SHEN Dong -ya 3(1. 3. Information Co llege of Y u nnan Univer sity, K u nming Y unnan 650091, China; 2. Compu ter Dep. , Quji ng Teachers Co llege, Qujing Yunnan 655000, ChinaAbstract :As a complement of land -mobile communication, mobile satellite communication is an essential method to achieve global person